A formação estelar intensa do Universo

Observações feitas com o Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) mostram que a formação estelar mais intensa no cosmos ocorreu muito mais cedo do que o que se supunha anteriormente.

 

© ESO (galáxias distantes amplificadas por lente gravitacional)

Os resultados estão publicados numa série de artigos científicos que sairão amanhã na revista Nature e na revista especializada Astrophysical Journal. Este trabalho é o exemplo mais recente das descobertas que estão sendo feitas com o ALMA, o novo observatório internacional que está sendo inaugurado hoje.

Acredita-se que os episódios de formação estelar mais intensos ocorreram no Universo primordial, em galáxias brilhantes de grande massa. Estas galáxias com formação estelar explosiva convertem enormes reservatórios de gás e poeira cósmica em novas estrelas a uma taxa impressionante - muitas centenas de vezes mais depressa do que a formação estelar que ocorre nas mais plácidas galáxias em espiral como a nossa Galáxia, a Via Láctea. Ao olhar para longe no espaço, para galáxias tão distantes que a sua luz demorou muitos bilhões de anos para chegar até nós, os astrônomos conseguem observar esta fase bem atarefada do Universo jovem.
“Quanto mais distante estiver uma galáxia, mais longe no tempo a estamos vendo, por isso ao medir distâncias podemos reconstruir a linha cronológica de quão vigorosa é a formação estelar no Universo nas diferentes épocas da sua história de 13,7 bilhões de anos”, disse Joaquin Vieira (California Institute of Technology, EUA), que liderou a equipe e é também o autor principal do artigo na revista Nature.
A equipe internacional de pesquisadores descobriu inicialmente estas distantes e enigmáticas galáxias com formação estelar explosiva, utilizando o South Pole Telescope (SPT) de 10 metros, da Fundação Científica Nacional dos EUA, e  em seguida o ALMA para observar as galáxias com mais detalhe e explorar a formação estelar no Universo primordial. Os cientistas ficaram surpreendidos ao descobrir que muitas destas galáxias longínquas e poeirentas que estão a formar estrelas, se encontram ainda mais longe do que o esperado, o que significa que, em média, os episódios de formação estelar intensa ocorreram há 12 bilhões de anos atrás, quando o Universo tinha menos de 2 bilhões de anos - um bilhão de anos mais cedo do que o que se pensava anteriormente.
Duas destas galáxias são as mais distantes deste tipo já observadas - estão tão distantes que a sua luz começou a sua viagem quando o Universo tinha apenas um bilhão de anos. Mais ainda, numa destas galáxias recorde, detectou-se água entre as moléculas observadas, o que marca as observações de água mais distantes no cosmos publicadas até hoje.
A equipe usou a sensibilidade sem precedentes do ALMA para capturar a radiação emitida por 26 destas galáxias no comprimento de onda de três milímetros. Esta radiação a comprimentos de onda característicos é produzida por moléculas de gás nestas galáxias, sendo os comprimentos de onda esticados pela expansão do Universo ao longo dos bilhões de anos que a luz demora a chegar até nós. Ao medir os comprimentos de onda esticados, os astrônomos podem calcular quanto tempo a luz demorou para chegar e assim colocar cada galáxia no lugar certo da história cósmica.
“A sensibilidade do ALMA e a observação em largos intervalos de comprimentos de onda que o telescópio permite, significam que podemos medir cada galáxia em apenas alguns minutos - cerca de cem vezes mais depressa do que antes”, disse Axel Weiss (Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bona, Alemanha), que liderou o trabalho da medição das distâncias às galáxias. “Anteriormente, uma medição como esta teria sido um laborioso processo de combinar dados, tanto de telescópios ópticos como de rádiotelescópios”.
Na maioria dos casos, as observações ALMA foram suficientes para determinar as distâncias, no entanto, para algumas das galáxias a equipe combinou os dados ALMA com medições obtidas com outros telescópios, incluindo o Atacama Pathfinder Experiment (APEX) e o Very Large Telescope (VLT) do ESO.
Os astrônomos utilizaram apenas uma rede parcial com 16 das 66 antenas gigantes que fazem parte do ALMA, uma vez que o observatório no momento ainda está sendo construído, a uma altitude de 5.000 metros no remoto Planalto do Chajnantor, nos Andes chilenos. Quando estiver completo, o ALMA será ainda mais sensível e poderá detectar galáxias ainda mais tênues. Enquanto isso, os astrônomos observaram as mais brilhantes e além disso tiveram uma ajuda da natureza: utilizaram lentes gravitacionais, um efeito previsto pela teoria da relatividade geral de Einstein, onde a radiação emitida por uma galáxia distante é distorcida pelo efeito gravitacional de uma galáxia mais próxima de nós, que atua como uma lente, fazendo com que a fonte longínqua pareça mais brilhante.
Para compreender precisamente de quanto é que a lente gravitacional tornava mais brilhante as galáxias de fundo, a equipe obteve imagens muito nítidas destas galáxias, utilizando observações ALMA no comprimento de onda de 0,9 milímetros.
“Estas belas imagens obtidas com o ALMA mostram as galáxias de fundo distorcidas em arcos múltiplos de luz, conhecidos como anéis de Einstein, que rodeiam as galáxias mais próximas”, disse Yashar Hezaveh (McGill University, Montreal, Canadá), que liderou o estudo das lentes gravitacionais. “Estamos utilizando a enorme quantidade de matéria escura que rodeia as galáxias no meio do caminho como um telescópio cósmico, para fazer com que galáxias ainda mais distantes pareçam maiores e mais brilhantes”.
A análise da distorção revela que algumas das galáxias longínquas com formação estelar intensa apresentam um brilho equivalente a 40 trilhões de sóis, sendo que as lentes gravitacionais amplificaram até 22 vezes este valor.
“Apenas algumas galáxias com este efeito de lente gravitacional tinham sido descobertas anteriormente nos comprimentos de onda do submilímetro, mas agora o SPT e o ALMA descobriram dúzias delas”, disse Carlos de Breuck (ESO), um membro da equipe. “Este tipo de ciência era feita anteriormente nos comprimentos de onda do visível com o Telescópio Espacial Hubble, mas os nossos resultados mostram que o ALMA é uma ferramenta muito mais poderosa neste campo de investigação”.

Fonte: ESO

A lente gravitacional Cruz de Einstein

A maioria das galáxias possui um único núcleo. Então por que a galáxia mostrada acima possui quatro núcleos?

© J. Rhoads (lente gravitacional Cruz de Einstein)

A estranha resposta leva os astrônomos a concluírem que o núcleo da galáxia ao redor não está sendo observado nessa imagem. A imagem semelhante a uma folha de trevo é na verdade a luz emitida de um quasar que está em segundo plano. O campo gravitacional da galáxia visível em primeiro plano quebra a luz do quasar distante em quatro imagens distintas. O quasar precisa estar alinhado bem atrás do centro da galáxia massiva para que um efeito de miragem como esse possa ficar assim tão evidente. O efeito geral é conhecido como lente gravitacional e esse caso específico é conhecido como a Cruz de Einstein. Mais estranho ainda é o fato das imagens da Cruz de Einstein ter seu brilho variável, sendo realçado ocasionalmente por um efeito adicional de uma microlente gravitacional, efeito esse gerado por estrelas específicas localizadas na galáxia em primeiro plano.

Fonte: NASA

Lentes cósmicas com buracos negros

No espaço, algumas vezes acontece de duas galáxias se alinharem de uma maneira especial em que a galáxia mais próxima distorce e amplia a aparência da galáxia mais distante localizada atrás dela.

© Hubble (lentes gravitacionais)

Para os astrônomos, encontrar esses alinhamentos é como se tivesse observando através de uma gigantesca lente de aumento.

Agora, uma equipe de astrônomos, incluindo Daniel Stern do Laboratório de Propulsão a Jato da NASA em Pasadena, na Califórnia, descobriram alguns raros exemplos desse fenômeno de alinhamento, chamados de lentes gravitacionais, onde a galáxia distante abriga um buraco negro supermassivo que está em ativo crescimento.

Esses buracos negros que estão se alimentando são chamados de quasares, e estão entre os objetos mais brilhantes do Universo, responsável pelo brilho total da galáxia que o hospeda. Devido a eles serem tão brilhantes, é complicado medir a massa de suas galáxias hospedeiras. Contudo, as lentes gravitacionais, são importantes para possibilitar estimar a massa de uma galáxia que hospeda um quasar. A quantidade da distorção da galáxia em segundo plano pode ser usada para precisamente medir a massa da lente gravitacional.

A equipe espera construir um catálogo ainda maior dessas lentes de quasares, e usar esses dados para entender melhor o jogo existente entre os buracos negros se alimentando e a formação de estrelas na galáxia em evolução.

Fonte: NASA

Galáxia distante vista por lente gravitacional

Lente gravitacional é uma ferramenta poderosa para os astrônomos, que lhes permitem explorar galáxias distantes com muito mais detalhes do que seria permitido.

© A. Zitrin (aglomerado MACS J0329.6-0211 e galáxia anã distante)

Sem essa técnica, as galáxias na borda do Universo visível são meras bolhas minúsculas de luz, mas quando ampliada dezenas de vezes possibilita explorar as propriedades internas estruturais mais diretamente.
Recentemente, astrônomos da Universidade de Heidelberg descobriram uma galáxia através da lente gravitacional que é uma das mais distantes já vistas, localizada à 12,8 bilhões de anos-luz sa Terra. No entanto, esta é notável por ser uma lente rara quádrupla.
As imagens desta descoberta interessante foram tiradas usando o telescópio espacial Hubble em agosto e outubro deste ano, utilizando um total de 16 diferentes filtros coloridos, bem como dados adicionais a partir do telescópio infravermelho Spitzer. O aglomerado no primeiro plano, MACS J0329.6-0211, está cerca de 4,6 bilhões de anos-luz distante. Na imagem acima, a galáxia de fundo foi dividida em quatro imagens, rotuladas pelas ovais em vermelho e marcadas de 1.1 a 1.4. Elas são ampliadas no canto superior direito.
Assumindo que a massa do aglomerado está concentrada ao redor das galáxias que estavam visíveis, a equipe tentou reverter os efeitos que o aglomerado teria pela galáxia distante, o que reverteria as distorções. A imagem restaurada, também corrigida para o redshift considerado, é mostrado na caixa inferior, no canto superior direito.
Depois de corrigir essas distorções, a equipe estimou que a massa total da galáxia distante é de apenas alguns bilhões de vezes da massa do Sol. Em comparação, a Grande Nuvem de Magalhães, um satélite anão da nossa própria galáxia, é cerca de dez bilhões de massas solares. O tamanho total da galáxia é pequeno também. Estas conclusões se encaixam bem com as expectativas de galáxias no Universo primitivo, que prevêem que as galáxias grandes no Universo de hoje foram construídos a partir da combinação de muitas galáxias menores.
A quantidade de elementos pesados na galáxia é significativamente menor do que estrelas como o Sol, que está de acordo com as expectativas. Esta falta de elementos pesados indica que deve haver poucos na forma de grãos de poeira. Essa poeira tende a ser um bloco forte com comprimentos de onda mais curtos de luz, tais como ultravioleta e azul. Sua ausência ajuda a dar à galáxia a sua tonalidade azul.
Formação estelar também é alta na galáxia. A taxa de produção de novas estrelas é um pouco maior do que em outras galáxias descobertas em torno da mesma distância, mas a presença de aglomerados mais brilhantes na imagem restaurada sugere que a galáxia pode estar passando por algumas interações, contribuindo para a formação de novas estrelas.

Fonte: Universe Today

Aglomerados de galáxias confirmam Teoria da Relatividade

A Teoria Geral da Relatividade prevê que a luz emitida por estrelas e galáxias pode ser desviada pela gravidade.

© Hubble (aglomerado de galáxias Abell 1689)

Contudo, até hoje nunca havia sido possível testar a teoria da gravidade de Einstein em escalas maiores do que o Sistema Solar.

Agora, astrofísicos dinamarqueses conseguiram medir o quanto a luz emitida por aglomerados de galáxias é afetada pela gravidade.

E as observações confirmam as previsões teóricas, não apenas as de Einstein, mas também as hipóteses mais recentes da energia escura e da matéria escura.

Observações de grandes distâncias no Universo são baseadas em medições do desvio para o vermelho, que é um fenômeno onde o comprimento de onda da luz de corpos celestes distantes é deslocado mais para o vermelho quanto maior é a distância que essa luz percorre.

O desvio para o vermelho indica o quanto o Universo se expandiu desde que a luz foi emitida até sua detecção na Terra.

Além disso, de acordo com a Teoria Geral da Relatividade de Einstein, a luz é afetada pela gravidade de grandes massas, como aglomerados de galáxias, o que provoca um desvio para o vermelho gravitacional da luz. Mas a influência gravitacional sobre a luz nunca havia sido medida em uma escala cosmológica.

Radek Wojtak e seus colegas Steen Hansen e Hjorth Jens, da Universidade de Copenhangue, analisaram medições da luz de galáxias em cerca de 8.000 aglomerados de galáxias.

Os pesquisadores estudaram as galáxias localizadas no centro dos aglomerados e galáxias na borda dos aglomerados, e mediram os comprimentos de onda da luz emitida por elas.

Em seguida, eles mediram a massa total do aglomerado de galáxias e, com isso, obtiveram seu potencial gravitacional.

Usando a Teoria da Relatividade Geral, calcularam o desvio para o vermelho gravitacional para as diferentes localizações das galáxias no interior dos aglomerados.

Descobriram que os cálculos teóricos do desvio para o vermelho gravitacional baseados na Teoria da Relatividade Geral estão em completo acordo com as observações astronômicas.

A análise das observações dos aglomerados de galáxias mostra que o desvio para o vermelho da luz é proporcionalmente deslocado em relação à influência gravitacional do aglomerado de galáxias.

A comprovação em escala cosmológica da Teoria Geral da Relatividade propicia uma forte indicação da presença da energia escura.

Fonte: Nature

Arco esculpido por lente gravitacional

O Telescópio Espacial Hubble captou uma imagem de uma impressionante estrutura em um aglomerado de galáxias ao redor de um objeto chamado de LRG-4-606.

© NASA/ESA (aglomerado de galáxias LRG-4-606)

A sigla LRG significa Luminous Red Galaxy, e é o acrônimo dado para uma grande coleção de galáxias brilhantes e vermelhas encontradas usando o projeto Sloan Digital Sky Survey, ou SDSS. Esses objetos são na sua maioria galáxias massivas elípticas compostas por uma grande quantidade de estrelas velhas.

É interessante contemplar o número de estrelas que essa imagem deve conter, algo em torno de centenas de bilhões, mas além disso ela apresenta um dos fenômenos mais estranhos conhecido pelos astrônomos. Essa galáxia vermelha em particular e as suas galáxias companheiras ao redor, parecem estar posicionadas de modo que o campo gravitacional gerado por elas tem um efeito dramático.

À esquerda do centro da imagem, galáxias azuis no plano de fundo foram esticadas e dobradas ganhando a forma de um arco azul estreito e apagado. Isso acontece devido a um efeito conhecido como lente gravitacional. O aglomerado de galáxias tem um campo gravitacional tão grande que ele curva o espaço ao seu redor e amplifica a luz das estrelas provenientes das galáxias mais distantes. A lente gravitacional normalmente cria arcos alongados e aqui, normalmente, o alinhamento das galáxias fez com que arcos separados se combinassem formando um meio círculo.

Essa imagem foi gerada a partir de uma coleção de imagens feitas nos comprimentos de onda do visível e do infravermelho próximo pela Wide Field Camera 3 do Telescópio Espacial Hubble. O campo de visão da imagem acima é de aproximadamente 3 por 3 arcos de minuto.

Fonte: NASA